JP3628079B2

JP3628079B2 - 炭化珪素薄膜製造方法並びに炭化珪素薄膜および積層基板

Info

Publication number: JP3628079B2
Application number: JP22967995A
Authority: JP
Inventors: 邦明八木; 英明三ツ井; 弘幸長澤; 洋一山口
Original assignee: Hoya Corp
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 1995-08-11
Filing date: 1995-08-11
Publication date: 2005-03-09
Anticipated expiration: 2015-08-11
Also published as: JPH0952798A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン基板上に形成された欠陥が少なく結晶性に優れた炭化珪素単結晶層の製造方法に関し、特に半導体基板および結晶成長用基板として利用できる炭化珪素薄膜および炭化珪素薄膜積層基板の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
炭化珪素は広い禁制帯幅と優れた化学的安定性と耐環境性を有する半導体材料である。そのため、炭化珪素は、シリコンを中心とした従来の半導体では適用が困難であった高電圧、高温、または放射線照射下での使用に期待が持たれている。炭化珪素を製造するためには、昇華法や気相成長法が用いられている。昇華法では、成長温度の制限から低温型結晶（β−ＳｉＣ）を作製することが困難であり、直径３インチ（約７６ｍｍ）以上の大面積で均質な炭化珪素基板を得ることはできない状況にある。気相成長法では、シリコンの原料ガスと炭素の原料ガスを一緒に基板上に供給することにより、基板表面に炭化珪素を析出させている（たとえば、Ｊ．Ａ．Ｐｏｗｅｌｌｅｔａｌ．，ジャーナル・オブ・エレクトロケミカル・ソサエテイー（Ｊ．Ｅｌｅｃｅｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．）１３４，（１９８７）１５５８）。さらに、これらのガスを交互に反応炉内へ供給することにより、均一性の高い単結晶炭化珪素が作製できる（たとえば、特開平２−２６２３２４号公報参照）。炭化珪素を気相成長させる下地基板は、昇華法により作製させた炭化珪素、炭化チタン、そしてシリコンが用いられている。特にシリコンに関しては、チョクラルスキ一法（ＣＺ法）で作製されたシリコン基板が使用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の気相成長法により、例えばチョクラルスキー法で作製したシリコンを基板として成膜される炭化珪素膜は、下地シリコン基板中の欠陥を受け継いで、炭化珪素結晶内に欠陥が誘発されたり、結晶表面上にヒロック（ｈｉｌｌｏｃｋ）が生じるという問題がある。これらの欠陥およびヒロック分布は、シリコン基板に存在する酸素により引き起こされる積層欠陥（ＯｘｙｇｅｎｉｎｄｕｃｅｄＳｔａｃｋｉｎｇＦａｕｌｔ；ＯＳＦ）の分布と同じ傾向を有する。つまり、炭化珪素結晶内の欠陥およびヒロックの多くは、ＯＳＦにより引き起こされている。チョクラルスキー法で作製したシリコンでは、酸素濃度が２×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３であるときに面内に通常５００個／ｃｍ^２程度のＯＳＦが存在している。したがって、チョクラルスキー法で作製したシリコンを用いて、欠陥およびヒロックの無い炭化珪素薄膜を作製することは極めて困難になる。
一般に、半導体結晶中の欠陥は、キャリアを散乱するため、その易動度を低下させる。すなわち、この様な欠陥およびヒロックの存在する炭化珪素膜を用いて半導体デバイスを作製した場合には、キャリア易動度が低いことから目的の諸特性を達成することができないという問題がある。
単結晶炭化珪素はまた、例えば、窒化ガリウムやダイヤモンドなどの炭化珪素と格子定数の近い単結晶のエピタキシャル成長用基板としても使用される。しかし、表面に欠陥を有する単結晶炭化珪素膜上に異種単結晶をエピタキシャル成長させた場合、炭化珪素膜のもつ欠陥およびヒロックがエピタキシャル成長の際に引き継がれ、異種エピタキシャル成長膜の結晶性を悪化させてしまうという問題がある。
本発明が解決しようとする課題は、これらの欠点を解消し、結晶性が良く表面モホロジーの優れた炭化珪素薄膜を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の炭化珪素薄膜製造方法は、上記の欠点を解消するため、欠陥を誘発させる酸素の濃度が低く１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であるシリコン基板を準備し、そのシリコン基板上に炭化珪素膜を成膜することを特徴とする。
１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下の極低酸素濃度で実質的にＯＳＦが無いシリコン基板は、フローティングゾーン法（ＦＺ法）あるいは磁界下チョクラルスキー法（ＭＣＺ法）で作製することができる。また、極低酸素濃度は、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法または化学気相堆積（ＣＶＤ）法によってエピタキシャル成長されたシリコン層によっても達成される。
炭化珪素層は、原料ガスとして、少なくとも一種類のシラン系化合物と炭化水素を反応炉内へ供給し気相成長法によって作製することができる。また、原料ガスとして、少なくとも一種類のシラン系化合物と炭化水素を反応炉内へ交互に供給し、当該シリコン表面上にエピタキシャル成長させて、単結晶炭化珪素層を形成することもできる。また、原料として有機珪素化合物を反応炉内へ供給し気相成長法によって作製することも可能である。
炭化珪素層は、結晶性を有することが好ましく、さらに結晶構造が立方晶であると炭化珪素薄膜の高度な利用が可能になる。
また、このようにして得られた炭化珪素薄膜を異種単結晶のエピタキシャル成長用基板としても使用した場合には、結晶性の良好な異種エピタキシャル成長膜を得ることができる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明の炭化珪素薄膜製造方法は、炭化珪素結晶内の欠陥およびヒロックの多くがシリコン基板に存在する酸素により引き起こされる積層欠陥（ＯＳＦ）を原因とすることに着目して、欠陥およびヒロックの分布が実質上無視しうる水準に対応する酸素濃度を有するシリコン基板を作製し、この基板の上に炭化珪素薄膜を積層するようにしたものである。発明者等の研究によると、実用に耐える優れた特性を有する炭化珪素薄膜を形成するためには、シリコン基板の酸素濃度は１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であることが好ましい。
酸素濃度がこの水準に収まるシリコン基板を生成するためには、フローティングゾーン法（ＦＺ法）もしくは磁界下チョクラルスキー法（ＭＣＺ法）が適当である。また、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法および化学気相堆積（ＣＶＤ）法によってエピタキシャル成長されたシリコン層によっても得ることができる。
また、上記のような低い酸素濃度を有するシリコン基板上に炭化珪素層を積層させる方法として、基板を反応炉内に据えて原料ガスを供給して基板上に炭化珪素をエピタキシャル成長させる気相成長法を採用した。炭化珪素の原料としてシラン系化合物と炭化水素を用いてもよいし、有機珪素化合物を用いてもよい。特に、シラン系化合物と炭化水素を減圧下の反応炉内へ交互に供給し、シリコン基板表面上にエピタキシャル成長させて得られる単結晶炭化珪素薄膜は、特に結晶性が良く表面モホロジーがよい。
なお、炭化珪素層が結晶性を有し、結晶構造が立方晶であると炭化珪素薄膜の高度な利用が可能になる。
本発明の方法で作製された炭化珪素薄膜は、炭化珪素結晶内の欠陥およびヒロックが極く少なく、電気特性や機械特性に優れ、色々な用途に適しているが、また、窒化ガリウムやダイヤモンドなど異種単結晶のエピタキシャル成長用基板としても使用することができる。
以下、実施例に基づいて本発明の炭化珪素薄膜および炭化珪素薄膜積層基板の製造方法について詳細に説明する。
【０００６】
【実施例１】
本発明による炭化珪素膜の成膜方法を示す。図１（ａ）ないし（ｃ）は、本発明による成膜方法を工程順に示す縦断面図である。３インチの直径を有する単結晶シリコンウエハーを反応炉内に設置し、アセチレンと水素雰囲気中で１０２０℃まで加熱した。シリコンウエハーはＦＺ法で作製されたものであり、基板の酸素濃度は１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３である。ここで、シリコンを基板として炭化珪素の成膜を行う場合、炭化珪素とシリコン基板の界面に生じる結晶格子の不整合により、成膜した炭化珪素の結晶性や、結晶表面のモホロジーが悪化するという問題がある。そのため、シリコン基板上に炭化珪素を成膜する場合には、シリコン基板の表面を炭化水素ガスなど炭素含有雰囲気中で炭化し、１００Å程度の極薄の炭化珪素層を形成させる必要がある（小野他、電子通信学会信学技報、ＳＳＤ８０，（１９８０）１２５）。本発明では、第１図（ｂ）に示すように、あらかじめアセチレンと水素供給のもとでシリコン基板を１０２０℃で６０分間保つことでシリコン基板表面を炭化した。このときの表面炭化の条件を表１に示した。
【０００７】
【表１】

【０００８】
エリプソメトリを用いてシリコン基板表面の炭化膜厚を測定したところ８０Åであることが確認された。炭化層を形成した後、引き続き第１図（ｃ）に示すように、基板温度１０２０℃の状態でシリコンの原料ガスと炭素の原料ガスを交互に反応炉内へと供給することで炭化珪素の成膜を実施した。シリコンの原料ガスとしては、ジクロルシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）を使用したが、ＳｉＨ_４、ＳｉＣｌ_４、ＳｉＨＣｌ_３などを用いても差し支えない。炭素の原料ガスとしてアセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）を使用したが、ＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_６、Ｃ_３Ｈ_８などを用いることもできる。また、シリコンと炭素、別々の原料ガスを使用せず、（ＣＨ_３）_３ＳｉＣｌ、（ＣＨ_３）_４Ｓｉなどシリコンと炭素を共に含有する成分を気化させたガスのみで成膜することも可能である。
本発明では、成膜した炭化珪素膜の膜厚は２μｍである。この成長条件の詳細は表２に示した。
【０００９】
【表２】

【００１０】
図２は本発明に基づく成膜方法を用いて成膜した炭化珪素膜表面のＳＥＭ像である。このＳＥＭ像から、炭化珪素膜表面が平滑であることが分かった。図３は本発明に基づく成膜方法を用いて成膜した炭化珪素膜表面のＳＴＭ像である。炭化珪素膜表面のＪＩＳＢ０６０１に基づく中心線平均あらさ（Ｒａ）は３．７ｎｍであった。以上のことから、本発明の製造方法による炭化珪素膜には、成長を行ったシリコン基板にＯＳＦがないためＯＳＦにより引き起こされる欠陥が存在しないことがわかった。炭化珪素膜の結晶性を調べるために、Ｘ線回折測定を実施した。観測されたピークは、立方晶炭化珪素（２００）面によるもののみである。この立方晶炭化珪素（２００）面ピークの半値幅は０．２２５度であった。得られた炭化珪素薄膜の易動度をホール測定法を用いて測定すると、１８０ｃｍ^２／（Ｖ・ｓｅｃ）であった。
【００１１】
【実施例２】
ＭＣＺ法で作製した単結晶シリコン基板上への炭化珪素の成膜を実施した。その結果、実施例１で作製した単結晶炭化珪素とほぼ同程度の特性が得られた。
【００１２】
【比較例１】
従来法として、ＣＺ法で作製した単結晶シリコン基板上への炭化珪素の成膜を実施した。成膜条件の詳細は表２と同じである。ＣＺ法で作製したシリコン基板の酸素濃度は２×ｌ０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３である。
図４はＣＺ基板上へ成膜した炭化珪素膜表面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像である。ＳＥＭ像から、この方法で成膜した炭化珪素膜表面には明らかに島状のヒロックが存在していることが確認される。
図５はＣＺ基板上へ成膜した炭化珪素膜表面の走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）の像である。ＳＴＭ像から炭化珪素膜表面には島状のヒロックが存在していることが分かり、表面の中心線平均あらさは２１．２ｎｍであった。Ｘ線回折測定から得られた立方晶炭化珪素（２００）面ピークの半値幅は０．３２７度であった。炭化珪素薄膜の易動度は５ｃｍ^２／（Ｖ・ｓｅｃ）であった。
実施例１と比較例の結果を表３に示す。表３から、本発明により作製した炭化珪素薄膜は従来法で作製した炭化珪素薄膜に対して極めて結晶性、表面モホロジーそして電気的特性に優れていることが分かる。
【００１３】
【表３】

【００１４】
【実施例３】
酸素濃度の異なるシリコン基板上への炭化珪素の成膜を実施した。シリコン基板の酸素濃度は、４×ｌ０^１５〜２×ｌ０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３である。成長させた炭化珪素の膜厚は２μｍである。図６に、下地シリコン基板の酸素濃度と炭化珪素表面の中心線平均あらさを表わし、図７には基板の酸素濃度と炭化珪素の結晶性の関係を示した。この結果より、酸素濃度が５×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下のシリコンを下地基板として使用することで、結晶性、表面モホロジーの優れた単結晶炭化珪素を成長させることができることが分かった。
【００１５】
【実施例４】
本発明により作製した単結晶炭化珪素上への窒化ガリウムの成膜を実施した。成膜は、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法によって行った。原料は、窒素源としてジメチルヒドラジンを使用し、ガリウム源としてトリメチルガリウムを使用した。成長温度は、６５０℃とした。成長させた窒化ガリウムの結晶性を調べるために、Ｘ線回折測定を実施したところ、立方晶窒化ガリウム（２００）面によるピークが観測された。これより、窒化ガリウムを本発明により作製した単結晶炭化珪素上にエピタキシャル成長させることができることがわかった。
【００１６】
【実施例５】
本発明で作製した炭化珪素薄膜積層基板を反応性イオンエッチングすることにより、図８に示すようなメサ型構造のへテロ接合ダイオードを作製した。ＳｉＣ層５とＳｉ単結晶１の接合部は、１ｍｍ平方とした。オーミック電極として、ＳｉＣ側にはＮｉ電極６を用い、Ｓｉ側にはＡｌ電極７を使用した。両者とも金属を蒸着することにより作製した。このようにして作製したへテロ接合ダイオードのＩ−Ｖ特性を室温で測定した。その結果、Ｉ−Ｖ特性に整流性が現われ、そのときの降伏電圧は約２００Ｖであった。
【００１７】
【比較例２】
従来法で作製した炭化珪素薄膜積層基板を反応性イオンエッチングすることにより、メサ型構造のへテロ接合ダイオードを作製した。ダイオードの作製条件は、実施例５と同様とした。このようにして作製したへテロ接合ダイオードのＩ−Ｖ特性を測定したところ降伏電圧は約５０Ｖであった。
実施例５と比較例２の結果より、本発明で作製した炭化珪素薄膜積層基板を使用した半導体素子は、従来法による炭化珪素薄膜を用いた半導体素子に対して電気的特性に優れていることが分かった。
【００１８】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、酸素濃度がｌ×ｌ０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下のシリコン基板上へ炭化珪素膜の成膜を行うため、シリコン基板中に存在する酸素不純物に誘発される欠陥を低減させ、結晶性、表面モホロジーそして電気的特性が非常に優れた炭化珪素膜を作製することが可能である。また、この単結晶炭化珪素薄膜を使用した半導体素子は、優れた電気的特性を有する。
さらに、この方法で作製した単結晶炭化珪素は非常に優れた表面モホロジーを有するので、この単結晶炭化珪素を基板とし、異種材料を良好にへテロエピタキシャル成長させることも可能である。従って、本発明で作製した炭化珪素薄膜および該薄膜積層基板は半導体基板および結晶成長用基板として極めて好適に用いることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による炭化珪素薄膜作製の工程順を示す縦断面図である。
【図２】本発明による炭化珪素薄膜表面のＳＥＭ写真である。
【図３】本発明による炭化珪素薄膜表面のＳＴＭ像である。
【図４】従来法により作製した炭化珪素薄膜表面のＳＥＭ写真である。
【図５】従来法により作製した炭化珪素薄膜表面のＳＴＭ像である。
【図６】シリコン基板の酸素濃度と中心線平均あらさとの関係を表わす図である。
【図７】シリコン基板の酸素濃度と立方晶炭化珪素（２００）面ピークの半値幅との関係を表わす図である。
【図８】メサ型構造のへテロ接合ダイオードを表わす図である。
【符号の説明】
１シリコン基板
２アセチレン
３表面炭化層
４ジクロルシラン
５炭化珪素層
６Ｎｉ電極
７Ａｌ電極

Claims

ｌ×ｌ０^１６ａｔｍｓ／ｃｍ^３以下の酸素濃度を有するシリコン基板を準備し、該シリコン基板上に炭化珪素を積層することを特徴とする炭化珪素薄膜の製造方法。
前記シリコン基板が、フローティングゾーン法により作製した単結晶シリコン基板であることを特徴とする請求項１記載の炭化珪素薄膜の製造方法。
前記シリコン基板が、磁界下チョクラルスキー法により作製した単結晶シリコン基板であることを特徴とする請求項１記載の炭化珪素薄膜の製造方法。
前記シリコン基板が、エピタキシャル成長法により作製した単結晶シリコン基板であることを特徴とする請求項１記載の炭化珪素薄膜の製造方法。
前記炭化珪素層は、原料ガスとして、少なくとも一種類のシラン系化合物と炭化水素を反応炉内へ供給し気相成長法によって作製することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の炭化珪素薄膜の製造方法。
前記炭化珪素層は、原料ガスとして、少なくとも一種類のシラン系化合物と炭化水素を反応炉内へ交互に供給し、当該シリコン表面上にエピタキシャル成長させた単結晶炭化珪素であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の炭化珪素薄膜の製造方法。
前記炭化珪素層は、原料として有機珪素化合物を反応炉内へ供給し気相成長法によって作製することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の炭化珪素薄膜の製造方法。
前記炭化珪素層は、結晶性を有することを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の炭化珪素薄膜の製造方法。
前記炭化珪素層は、結晶構造が立方晶であることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の炭化珪素薄膜の製造方法。
請求項１ないし９のいずれかに記載の炭化珪素薄膜の製造方法により製造された炭化珪素薄膜。
請求項１０記載の炭化珪素薄膜を有する積層基板。
酸素濃度がｌ×ｌ０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であるシリコン基板上に炭化珪素単結晶層が形成されていることを特徴とする炭化珪素薄膜積層基板。